ALBERT EINSTEIN
Inleiding: Alhoewel een artikelenreeks over Einstein en zijn wetenschappelijke betekenis niet direct actueel genoemd kan worden, heb ik na ampele overwegingen, hier toch voor gekozen, en niet alleen omdat ikzelf een zeer groot bewonderaar van hem ben. Hij is m.i. niet alleen de grootste natuurkundige van deze eeuw maar zelfs de grootste geleerde aller tijden! Een tweede argument is het feit dat de moderne astrofysica met zijn zwarte gaten, gekromde ruimte, door de zon (en uiteraard andere massa's)afgebogen lichtstralen, de omzettingen van massa in energie en omgekeerd (tijdens de eerste seconden van het bestaan van ons heelal) etc, etc, in feite niet goed "begrepen" kan worden, zonder de summiere kennis van Einsteins relativiteitstheorieën (ja er zijn er twee!) Tenslotte zijn er de laatste jaren zoveel nieuwe (en ook jongere) Vestalezers bijgekomen zodat er voor deze groep vast wel iets nieuws in deze serie te ontdekken valt. Levensloop: Einstein werd op 14 maart 1879 in Ulm als zoon van een elektrotechnicus geboren (voor een gedetailleerd overzicht: zie bijlage 1) Als kind was hij bepaald geen genie!(Ouders van nu putten hier wel eens hoop uit als hun kinderen op school ook zoo sukkelen!) Op zijn 9e jaar praatte hij nog als kleuter en op het gymnasium werd hij van school gestuurd. Tenslotte behaalde hij in 1920 het einddiploma Technische Hogeschool (te Zürich). Nu volgden een paar moeilijke jaren, waarin hij wel al enige artikelen van hem gepubliceerd kreeg in de beroemde Annalen der Fysiek. In 1902 verkreeg hij de Zwitserse nationaliteit, werd aangesteld als ambtenaar 3e klasse bij een octrooibureau en trouwde Mileva Maric (in 1903). Wat in 1905 plaats vond was werkelijk ongelofelijk! Einstein presteerde het in dat jaar om vier artikelen te publiceren die elk voldoende belangrijk waren om daarmee de Nobelprijs te verwerven!.En dat alles deed Einstein geheel alleen, in zijn spaarzame vrije tijd zonder elke financiële steun, door met zijn supergeniaal brein te trachten de verschijnselen der natuur in zijn essentie de doorgronden. (voor een overzicht van deze artikelen, zie bijlage 2) Van nu af aan komt Einsteins "carrière" in een stroomversnelling. Er volgen benoemingen (tot docent) in Bern, Zürich en Praag. In 1913 gaat hij naar Berlijn, wordt lid van de Pruisische Academie van Wetenschappen en directeur van een speciaal voor hem in het leven geroepen onderzoeksinstituut. In 1916 publiceert hij zijn algemene relativiteitstheorie (zie bijlage 3). Echter..,ook in de wetenschap speelt jaloezie een grote rol. Doordat Einstein jood was werden zijn theorieën wel als "Joodse natuurkunde" verdoemd t.o.v. de z.g. "Duitse natuurkunde"! In 1921 maakt Einstein een reis naar de Verenigde Staten; op de terugreis bezoekt hij Engeland. Toen Hitler in 1933 aan de macht kwam was Einstein toevallig in de "States" en ,heel verstandig, is hij daar gebleven! Dit besluit heeft waarschijnlijk het verloop van de 2e wereldoorlog in hoge mate beïnvloed, want in 1939 adviseert Einstein president Roosevelt de atoombom te ontwikkelen, vóór de kans bestaat dat Hitler-Duitsland dat zal doen!. Twee van deze bommen (op Hiroshima en Nagasaki beslisten inderdaad het einde van de 2e wereldoorlog. Door een slopende ziekte wordt het denkvermogen van Einstein ernstig aangetast. Op zijn sterfbed worden zijn laatste woorden in het Duits gesproken (de enige taal die hij beheerste), door de (Amerikaanse) verpleegster niet verstaan.
Bijlage 1. 13/3/1879 Einstein wordt te Ulm geboren 1900 Einstein behaalt einddiploma Technische Hogeschool 1902 Einstein wordt aangesteld als ambtenaar 3e klasse (Oktrooi bureau) en neemt Zwitserse nationaliteit aan. 1903 Einstein trouwt Mileva Maric 1905 Einstein publiceert 4 zeer belangrijke artikelen 1908 Einstein benoemd tot docent te Bern 1913 Einstein benoemd tot lid van de Pruisische academie voor wetenschappen en wordt (te Berlijn) directeur van speciaal voor hem in het leven geroepen onderzoeksinstituut. 1914 Huwelijk met Mileva wordt ontbonden (Einstein trouwt later met Elsa) 1916 Einstein formuleert zijn algemene relativiteitstheorie. 1921 Einstein ontvangt Nobelprijs voor zijn artikel over de fotonentheorie (1905) en maakt een reis naar de Verenigde Staten. 1933 Hitler komt aan de macht. Einstein is op dat moment in de Ver. Staten en keert niet meer terug naar Duitsland. 1936 Elsa sterft. 1939 Einstein adviseert Roosevelt de atoombom te ontwikkelen. 1945 Twee van deze bommen maken een eind aan de 2e wereldoorlog, dankzij Einstein!. 18/4/1955. Sterfdag Einstein. Bijlage 2. Het 1e artikel behandelde de aard van het licht. Tot op dat moment waren er twee theorieën: Newton beschouwde licht als een stroom van deeltjes (corpuscels) Huygens beschouwde licht als een golfverschijnsel (een zich voortplantende transversale trilling). Op de vraag van Newton aan Huygens hoe hij dan het feit verklaarde dat zonnestraling ons bereikt terwijl er toch een (absoluut) vacuüm tussen zon en aarde bestaat (zonder materie geen trilling), redde Huygens zich eruit door de z.g. aether te "scheppen", een voor ons niet waarneembare materie (die er toch moest zijn anders had hij ongelijk!) Dit niet overtuigend argument gaf dus aan Newtons (corpusculaire) theorie de voorkeur. Toen echter (door Young en Fresnel) interferentieproeven met licht gedaan werden, werd Newtons theorie onhoudbaar (met de deeltjestheorie is interferentie absoluut niet te verklaren). Echter.., de ontdekking van het foto-elektrisch effect(in1887) bracht nieuwe moeilijkheden. Het foto-elektrisch effect houdt nl. in dat een metaal o.i.v. opvallend licht elektronen kan uitzenden waarvan de energie uitsluitend afhangt van de aard van het opvallend licht. Beneden een bepaalde frequentie (dus boven een bepaalde golflengte) stopt de uitzending zelfs geheel, hoe intensief de straling verder ook is. Hieruit volgde dat licht (en alle andere elektromagnetische straling) dus opgevat diende te worden als een stroom van energiedeeltjes.(Fotonen genaamd) Deze laatste uitspraak deed Einstein nu in zijn beroemd geworden artikel uit 1905 waarvoor hij dus in 1921 de Nobelprijs verkreeg. Maar.., als U nu goed nadenkt (en dat doet U natuurlijk!) dan is er toch weer een probleem! Als licht dus toch weer uit deeltjes bestaat (zoals Newton dus al beweerde), heeft Huygens dan toch ongelijk en hoe zit het dan met die interferentieproeven?.
Het antwoord is even simpel als (voor U misschien) onbevredigend: Beide theorieën (deeltjes- en golftheorie) zijn juist en vullen elkaar a.h.w. aan (z.g. complementaire theorieën). Voor de verklaring van interferentie beschouwen we licht als een golfverschijnsel, voor de verklaring van het foto-elektrisch effect beschouwen we licht als te bestaan uit (energie) deeltjes (fotonen). Blijft U hier toch moeite mee houden, denk dan maar eens aan een vel papier, aan de ene kant wit, aan de ander kant zwart. Is dit velletje nu wit of zwart? Ach, het is maar hoe je er tegen aan kijkt! Het 2e artikel behandelt de moleculaire structuur van de materie En hoe belangrijk het molecuulbegrip is behoeft niet uitgelegd te worden aan een ieder die op school maar iets gehoord heeft over schei- of natuurkunde. Heel in het kort komt dit artikel neer op de veronderstelling dat materie opgebouwd is uit moleculen (behalve de metalen en de zouten) die, en dat is het belangrijke in dat artikel, voortdurend trillen met een heftigheid, afhankelijk van de temperatuur. In feite is het natuurlijk net andersom: De temperatuur wordt bepaald door de heftigheid van het trillen der moleculen. Daarom is er ook een ondergrens aan de temperatuur(- 273 C, ofwel 0 K), nl. die waarbij de moleculen helemaal niet meer trillen! Het 3e artikel behandelt de elektrodynamica van bewegende stelsels (de z.g. speciale relativiteitstheorie) Hier komen we uitgebreid op terug ,evenals op het 4e artikel dat het verband legt tussen massa en energie van een lichaam.
(E = m ⋅ c2 ) Bijlage 3: Einstein is echt wereldberoemd geworden vanwege zijn relativiteitstheorie en zijn formule:
E = m ⋅ c2 Men denkt dan echter steeds aan zijn in 1905 ontwikkelde theorie. (aanvankelijk door hem invariantentheorie genoemd). Dit is de z.g. speciale relativiteitstheorie. In 1916 verwonderde (verwondering is de kiem der wetenschap, zei mijn oud leraar professor Ketelaar al tijdens een college in 1950 en die uitspraak heb ik nooit vergeten!) Einstein zich echter over een ander merkwaardig verschijnsel, nl. die der gelijkheid van zware en trage massa. De zware massa is bv verantwoordelijk voor de aantrekkingskracht die wij (en elk ander voorwerp in het heelal) ondervinden van de aarde. De ontdekking hiervan is ook weer een gevolg van een verwondering nl van Newton (ook een zeer groot geleerde!): Het verhaal wil dat Newton, op een zomeravond in zijn tuin gezeten, zich verwonderde over het feit dat een appel aan een boom, waarvan het steeltje brak, naar beneden viel! Welk mens zou zich daarover verwonderen? Nu Newton wel!. Op dat moment bestonden er 2 soorten mechanica:
Die op aarde, waarvoor gold dat een lichaam, dat niet aan krachten onderhevig was, een eenparig-rechtlijnige beweging uitvoerde (of in rust was) Die in het heelal, waar lichamen, zoals maan en dwaalsterren (planeten dus) waarop geen krachten werkten (dacht men!) cirkelbanen beschreven. Op zich is het bestaan van 2 verschillende soorten mechanica natuurlijk al verwonderlijk. Newton heeft dit probleem (voorzover men zich dat realiseerde), opgelost door de invoering van zijn beroemd geworden gravitatiewet waarin hij postuleerde dat lichamen elkaar aantrekken met een kracht, evenredig met het product van hun (zware) massa's en omgekeerd evenredig met het kwadraat van hun afstand (gerekend t.o.v. hun massamiddelpunten). De trage massa van een lichaam is verantwoordelijk voor het verzet tegen een verandering van zijn bewegingstoestand. Een pingpongballetje zal bv gemakkelijker vanuit zijn rusttoestand in beweging te krijgen zijn dan bv een locomotief. (De trage massa wordt gedefinieerd als m = F/a) We zullen trachten dit te verduidelijken aan een voorbeeld: Elk voorwerp, losgelaten in de lucht, zal zich loodrecht omlaag bewegen met een eenparigversnelde beweging met versnelling g(= 9,8 m/s2, afgezien van de luchtwrijving). Een voorwerp, in rust op het aardoppervlak, ondervindt daarvan een reactiekracht, gelijk aan zijn gewicht. Nu een ander geval: Men bevindt zich in een afgesloten ruimte. die zich, ergens in het heelal, ver van elk hemellichaam dus ook ver van de aarde, met een eenparig versnelde beweging, met versnelling g, omhoog (wat is trouwens omhoog?) beweegt. Laat men in die ruimte een voorwerp los, dan zal zich dit (t.o.v. die ruimte)met een eenparigversnelde beweging met versnelling g, omlaag begeven. Bevindt zich een voorwerp in rust op de bodem van die, van de buitenwereld afgesloten ruimte, dan zal dat voorwerp van die bodem een reactiekracht ondervinden, gelijk aan zijn gewicht. Conclusie: Bevindt men zich in een, van de buitenwereld afgesloten ruimte, dan zal men niet kunnen uitmaken of men zich in rust bevindt (op het aardoppervlak) of dat men zich in het heelal voortspoedt men een versnelling, gelijk aan g. Deze redenering is de grondslag van de algemene relativiteitstheorie. Zonder in details te vervallen, is een consequentie van de algemene relativiteitstheorie zeker het vermelden waard: Lichtstralen planten zich in de ruimte niet altijd rechtlijnig voort! Dit verklaarde Einstein door aan te nemen dat lichtstralen, die (grote) massa's passeren, daarvan een aantrekkende kracht ondervinden. U had zelf ook zo geniaal kunnen zijn als U even scherp had nagedacht als Einstein, maar wie kan dat? Om U te helpen moet U bijgevoegde figuur (bijlage 4) maar eens goed bekijken: Er is dan geen speld tussen te krijgen!
Het probleem was de experimentele verificatie. Het effect van massa's op de beweging van licht (en uiteraard elke andere elektromagnetische straling) is zo gering, dat deze niet meetbaar was. Nu heeft de zon uiteraard een zeer grote massa. Lichtstralen van sterren die de zon rakelings passeren zouden echter wel meetbaar afgebogen moeten worden, maar deze sterren zouden dan zo dicht bij de zon moeten staan, dat ze zelf niet waarneembaar zouden zijn, tenzij...men een totale zonsverduistering afwacht! Door oorlogsomstandigheden kon de eerste waarneming hiervan pas in 1919 plaatsvinden. U begrijpt..de spanning was groot: zou Einstein gelijk krijgen? Ik laat U niet lang in het ongewisse: hij kreeg gelijk. Sterlicht werd afgebogen! een ware triomf!. En dat is nu het geniale van Einstein: hij trachtte niet zozeer waargenomen verschijnselen te verklaren (op zich een loffelijk streven van wetenschappers)neen,...hij voorspelde verschijnselen, die op dat moment totaal in strijd waren met de huidige stand van de wetenschap, en daar is genialiteit en..moed voor nodig. Op velerlei terrein heeft Einstein onwrikbare "waarheden",zoals de wet van behoud van massa en de wet van behoud van energie (fundamenten van de toenmalige natuurkunde) onderuit gehaald. En wel met de"simpele",maar uiterst beroemde formule: E = m ⋅ c 2 De mij toegemeten ruimte is vol, maar we gaan (een andere keer) verder! (Literatuur: Natuur en Techniek '79 nr 4) (Jb.Kuyt)
a)
b) c)
Bijlage 4) t = 0 Een afgesloten ruimte start verticaal omhoog met een eenparig versnelde beweging (versnelling bv 10m/s2) Op dat zelfde moment start een lichtstraal vanuit A in horizontale richting naar rechts. Deze lichtstraal zal zich niets aantrekken van de afgesloten ruimte die zich opdat moment versneld omhoog gaat bewegen! t = 1 s. De (afgesloten) ruimte heeft zich 5m omhoog begeven. De lichtstraal echter niet!.Stel deze is in punt B aangekomen. Dit punt is echter, t.o.v. de vloer nu wel 5 m lager gelegen t = 2 s. Lichtstraal in C aangekomen, vloer nu 20 m hoger, dus C t.o.v. de vloer 20 m lager. Heeft U het nu gezien? Of de afgesloten ruimte nu met een versnelling van 10 m/s2 omhoog gaat, of in rust is en waarin voorwerpen, o.i.v.. een massa daaronder zullen vallen met een versnelling van 10 m/s2 omlaag, maakt niet uit. In dat laatste geval beschrijft de lichtstraal dus een beweging, bestaande uit een eenparige beweging naar rechts en met een eenparig versnelde beweging omlaag (parabolisch dus), maar dat betekent dat de lichtstraal een gekromde beweging beschrijft o.i.v.. de massa onder de vloer! (fig d) Waarom was dit nu zo moeilijk experimenteel te verifiëren? Omdat licht zoo verschrikkelijk snel gaat! Een lichtstraal die langs de zon scheert ondervindt een versnelling, loodrecht op zijn baan van zeg 1000 m/s2. Na 0,01 s heeft deze lichtstraal 3000 km afgelegd en is, loodrecht daarop 5 cm afgebogen (reken dit maar na) a) t = 0 s b) t = 1 s
c) t = 2 s
d)ruimte in rust en o.i.v. massa eronder ruimte omhoog bewegend met versnelling van 10m/s2
